地下铁道工程防水技术探讨
2009-03-27 00:01
地下铁道工程防水技术探讨
[摘要]地下铁道工程时刻受到地下水的作用,防水问题不仅影响工程本身的坚固性和耐久性,而且直接影响到地下铁道的正常使用。以地铁工程暗挖隧道、明挖结构为例,详细介绍了围岩防水、结构自防水、附加防水层以及排水系统等防水技术,指出对于具体工程,应根据其基本特征选择不同的防水技术措施。
[关键词]地下铁道工程;地下水;防水技术
地铁工程所在城市地表往往高楼林立、交通拥挤,不可过多降低城市地下水位,也必然对地下水的排放进行限制。因此,地铁工程防水应遵循“以防为主,堵排结合;多道设防,刚柔并举;因地制宜,综合治理”的原则,精心设计,精心施工;所采取防水措施主要有隔水、排水、堵水等。在总体应用上,宜按地铁工程结构形式及其所处的地质条件的实际情况进行分解与细化。
根据国家标准,地铁车站结构与区间隧道分别属于一级、二级防水[1]。但工程实践证明,即使按一级防水要求,采取各种防水措施,所建工程均要进行后期的大量堵漏处理,否则连二级防水要求都达不到。基于工程施工实际,建议不管是地铁车站结构或是区间隧道,在设计、施工中都应按一级防水要求进行,以减小工程后期堵漏工作量。
文中以新奥法施工工程为例,暗挖隧道复合式衬砌结构可分为初期支护、附加层、二次衬砌及围岩,从这几方面介绍了暗挖隧道工程防水技术;同时对明挖地铁车站工程,在防水方面把围护结构等同于暗挖隧道的初期支护进行考虑,其防水技术与暗挖隧道工程共同探讨。
1 围岩防水
按新奥法原理,围岩与初期支护作为一个整体协调作用,共同抵抗围岩压力;同时从开挖、支护及防水施工角度讲,二者也是紧密联系在一起的,因此把围岩与初期支护一起考虑,共同作为第一道防水屏障。按“以防为主”的原则,采取堵水、隔水措施,主要是降低地下水的渗透系数、减小地下水的渗入量,是一种积极、治本的方法。
1·1 预处理
预处理对明挖结构来讲,是在围护结构外采取如搅拌桩、旋喷桩及深孔注浆等措施,在基坑外形成止水帷幕(密排围护结构本身其实也是一种止水帷幕);对暗挖隧道来讲,采取如地表预注浆及洞内全断面注浆、水平旋喷桩帷幕、超前预注浆等措施,在隧道周围围岩内形成止水帷幕。
至于是否采取预处理措施、采取什么样的技术措施,应根据地质条件及经济、合理的原则,在不危害开挖安全和满足地铁排水不超标的前提下,经过科学比选后确定。其中,对于明挖结构的搅拌桩、旋喷桩及深孔注浆等措施,止水效果是能够保证的;对于暗挖隧道的地表预注浆措施,在城市内往往受场地限制采用较少,并且实践证明,可控性差、效果不理想,但可作为洞内方案的辅助措施;其它几种措施在不同工点都曾收到较好的效果。同时,应在地表设置必要的地下水位监测井,观测地下水位及其变动情况,以指导施工。
1·2 后处理
后处理对于明挖结构来讲,主要是指基坑开挖完成、主体结构施工前(指明挖顺作法),针对渗漏点进行注浆止水。围护结构为围护桩时,主要是桩间漏水,在进行桩间回填时可预留注浆管,对明显漏水处注浆管应进入桩后岩土体1~2m,对桩外岩土体进行注浆止水,并对桩间空隙进行回填注浆。后处理对于暗挖隧道来讲,主要是在初期支护完成后,防水层施工前进行针对性的探水注浆及系统的回填注浆、固结注浆。
探水注浆是针对渗漏或涌水点,探明水路的准确位置,通过钻孔埋注浆管(长为1~1.5m)至岩层,实施注浆止水。系统的回填注浆是通过初期支护施作时预埋的注浆管(纵向间距3~5m),对初期支护与围岩间的空隙进行注浆充填;回填注浆后视情况进行固结注浆;系统的固结注浆与探水注浆作用及实施方法相同,只是要求在隧道内按一定环纵向间距(在施作时,按地质条件及注浆情况灵活掌控)布置注浆孔[3-4]。一般情况下,回填注浆采用纯水泥浆,探水注浆及固结注浆采用水泥-水玻璃双液浆,以控制注浆范围。在实施时,回填注浆压力一般为0.2~0.6MPa,探水及固结注浆压力一般为0.5~1.0MPa,应严格控制,压力过大将对结构造成破坏作用[4]。
为做好后处理工作,在开挖过程中应做好详细的地质素描,对含水量较大、围岩破碎、裂隙发育、砂层等地段做好标识,作为后处理的重点地段。同时,初期支护面上的白色乳液痕迹是漏水的标志,也应做重点处理。但在实际工程中,后处理常常未做到位、甚至未做。原因之一是工期紧,盲目抢进度;另一个原因是,隧道或基坑开挖后(或由于人工降水)引起地下水流失、地下水位及水压降低,此时洞内及基坑内大部分渗水不大,在此假象及工期压力下未按要求施作到位,便施工二次衬砌或主体结构,待施工完成后,地下工程封闭,地下水位恢复,由于仍有大量空隙、孔隙存在,造成结构大量渗漏水。实践证明,凡认真做好后处理的工程,完工后渗漏水较少,堵漏工作任务轻。
2 结构自防水
通常所说的结构自防水一般都是指隧道二次衬砌与明挖主体防水混凝土,在这里建议将初期支护结构纳入结构自防水范畴(当然,防水效果较前者次之)。
任何一种防水方法都依附于结构的自防水效能。由于地铁结构的耐久性要求达到100年以上,其他有机类的柔性防水材料都很难达到100年以上的使用寿命,因此就对混凝土结构防水提出很高的要求[1]。结构自防水对于初期支护,关键是保证喷射混凝土的密实性;对于主体结构现浇混凝土,关键在于如何控制混凝土结构的开裂。
2·1 初期支护
喷射混凝土是目前地下工程中广泛采用的一种支护形式,不仅用作临时支护,而且也用作永久衬砌。目前国内地铁隧道工程初期支护主要采用的是干式喷射非防水混凝土,虽然可以提高岩石的承载能力,对地下水能起到一定堵塞作用,但干式喷射混凝土水泥、砂、石和水在喷嘴附近才混合,因此很难混合均匀、使水泥浆充分包裹砂和石子,这将影响喷射混凝土防水性能。
加之喷射混凝土较薄,自身的密实性较差,又有细微裂缝,故其本身防水性能较差。为提高防水性能,通常采取充填注浆处理。而湿喷混凝土是配合料和水在搅拌机内搅拌后,再被压气流送到喷嘴口喷射,优点为混凝土均匀性好,防水效果也较干式喷射非防水混凝土为好[1]。对于地铁隧道工程初期支护,建议采用湿式喷射防水混凝土,喷射混凝土强度等级为C20、抗渗等级为S8,同时应保证一定的厚度[5]。
2·2 暗挖隧道二次衬砌与明挖车站主体结构
二次衬砌与明挖车站主体结构作为最后一道防水屏障,从耐久性来讲,具有至关重要的作用。暗挖隧道二次衬砌及明挖车站主体结构采用现浇防水混凝土,其防水要求主要依靠防水混凝土本身的憎水性和密实性来达到。它既是防水结构,又是承载和围护结构,需保证一定的厚度。
现浇防水混凝土若配制不当、施工质量差、养护不到位等,易形成开裂、孔洞、蜂窝麻面等,影响其防水效果。防水混凝土施工时的振捣是保证混凝土密实性的关键,浇筑时必须分层进行、按顺序振捣、充分养护,否则难以起到应有的防水作用。另外,暗挖隧道二次衬砌施工在拱部是薄弱环节,极易产生空隙,最大达10cm。为此在二次衬砌施工完成后,应进行系统的衬砌拱部与防水层间的回填注浆,方法与初期支护背后注浆相同,其目的是充实衬砌与防水层间的空隙,但应注意灌浆时压力的控制。
3 附加防水层
附加防水层作为隔离层是一道重要的防水线,起隔水作用,目的是补偿、增强结构总体防水效果[2]。在选用材料时,要充分考虑施工条件,保证防水材料的抗变形能力及其耐久性等。
3·1 全包防水与半包防水[2]
为保护城市环境,采用“水密型”的全包防水最好。
但我国目前防水材料、防水施工工艺,特别是施工人员的技术素质,都不太可能做好全包防水。就我国目前地铁建设的情况看,还是着重于“水密型”与“排水型”相结合的“混合型”较好,按“以防为主、堵排结合”的原则进行处理。所以防水板采用半包型,确保地下结构上半部达到一级防水等级。另外,进行适量的排水,卸掉了直接作用于主体结构的部分静水压力,可减小主体结构的渗漏、解除水量较大的重力水对地下建筑的直接威胁,但应以不破坏地下工程水环境为前提。
3·2 传统防水卷材的缺陷
传统防水卷材本身不能与结构层形成一个整体,在施工完成后与混凝土结构层间始终有一道界面接缝,当防水层遭到破坏后,水就会在界面接缝中“窜流”,造成渗漏点难以查找,所以维修十分困难。这就要求研制一种新型的防水卷材,能与混凝土结构层形成一个在长期浸泡中依然密不可分的整体,即使在施工过程中造成了破坏点,也不会发生“窜流”现象,破坏点与渗漏点完全一致,极易检修。从而解决了“窜流”的历史性难题。
4 排水系统
此处所讲的排水系统是按“混合型”防水要求设置的永久性排水系统,并非施工中的“临时排水系统”。
当采用半包型附加防水层时,应在防水层的底部与纵向排水盲管相连,以引导初期支护与防水层之间的地下水沿防水层流入纵向排水盲管中,然后由泄水管排出洞外。同时,应在防水层底部、防水层与主体结构混凝土间设置背贴式止水带,以防止地下水沿防水层与主体结构混凝土界面向上渗入。
另外,建议在引水的泄水管上安装阀门,并使其在工程验收前始终处于关闭的结构“水密型”状态,以能保证各种堵水措施能按要求施作到位,最大限度地减小地下水渗入量,同时在运营期间能有组织地、定期地对地下水进行排放。
5 变形缝与施工缝防水[1-2]
1)变形缝宽度一般为2cm,在变形缝部位设置中埋式橡胶止水带,并在变形缝的内侧采用双组分聚硫橡胶进行嵌缝密封。
2)施工缝部位一般采用钢板腻子止水带或使用缓膨胀型遇水膨胀橡胶条,在施工时要使新老混凝土层间粘结密实。在混凝土厚度较大时,可设企口凹缝,并在凹缝中设置止水带,可收到较好的防水效果。
3)变形缝与施工缝施工时均应认真进行混凝土的振捣,以保证止水带与混凝土粘结紧密、牢固,同时应做好对止水带的保护工作。
4)当结构采用防水板隔离层时,应在变形缝与施工缝两侧设置背贴式止水带,背贴式止水带可与防水板及结构混凝土密实粘结,可在变形缝与施工缝部位形成防水封闭区,防止防水层局部发生渗漏水时出现“窜流”现象。
5)可在结构内侧施工缝与变形缝部位设置集水槽,以引排从施工缝与变形缝渗入的在允许范围内的少量地下水。
6 结语
1)应将地铁工程防水视为一个系统工程,从工程勘察选址就开始重视防水工作,统筹规划,贯穿于地铁工程设计、施工全过程;将防水设计、材料选择、防水施工工艺、防水施工队伍选择都纳入防水系统。
2)对于具体工程,须根据不同的结构形式、结构所处不同地质区段的工程地质及水文地质条件、不同的施工方法以及造价高低来确定相适应的防水技术措施;各种形式的防水方法均有利弊,要作具体分析才能得出取舍的结论。
3)以全面堵水为前提,以结构自防水为根本,以施工缝、变形缝等接缝为防水重点,采取多道防线,每道防线都是同等重要的,单一的防水措施是不可靠的。
4)精心设计,精心施工。目前防水效果较差的主要原因之一是工程施工中未能按要求施作到位,防水工程应由具有相应专业资质的优秀队伍施工。
5)加强新材料、新技术、新工艺的应用。
参考文献:
[1]鞠建英.实用地下工程防水手册[M].北京:中国计划出版社,2002.
[2]薛绍祖.地下建筑工程防水技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.
[3]崔玖江.隧道与地下工程修建技术[M].北京:科学出版社,2005.
[4]中铁十九局集团有限公司.铁路客运专线施工与组织[M].成都:西南交通大学出版社,2006.
[5]吴全立.对青岛地铁隧道工程结构防排水方案的建议-隧道建设特刊[A]//地下工程新技术研讨会论文集[C].2001,(10):93-97.
